關于某V型柴油機性能計算分析研究

陳　剛，程志軍，楊　亮，謝德錦

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林537005）

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關于某V型柴油機性能計算分析研究

陳剛，程志軍，楊亮，謝德錦

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林537005）

摘要：針對某款新開發的V型柴油發動機，為確保設計之初就對性能進行模擬計算分析，利用AVL Boost一維性能軟件對該機型進行模擬計算，通過建立計算模型對進氣系統、增壓器和氣門升程規律進行模擬和預測，得出初步性能結論，為后續試驗開發提供了寶貴的數據并指導性能優化方向。

關鍵詞：V型機；模擬；計算模型；性能預測

公司在某直列6缸柴油機的基礎上，研制開發一種新型V型12缸船電用（兼顧車用）柴油機，但缸徑和行程不變，V型角度為90°，大部分零部件通用。本文主要介紹了該V型柴油機在設計和性能工作過程計算所進行的一些主要工作，詳細描述了柴油機的熱力過程計算模型建立過程，以及在計算模型上開展的一系列柴油機性能參數計算和優化工作。

1　研究概述

眾所周知，影響柴油機性能的結構參數有很多，比如壓縮比、點火提前角、進排氣管路結構尺寸、增壓器選取等，這些參數的選取直接影響柴油機性能的性能好壞。為了在概念設計階段初步確定這些結構參數，在該柴油機的開發過程中采用了大量的工作過程模擬計算，工作過程計算結果是否有工程使用意義，關鍵是計算模型的計算精度是否滿足工程的使用要求。由此可見，正確建立工作過程計算模型是至關重要的。

本文計算選取該V型柴油機船用特性的標定點與車用特性的最大扭矩點做計算分析。計算過程中，以功率、油耗等設計目的指標、以及概念設計階段已經確定的結構參數等為基準邊界條件，其它未知結構參數參照借用直列柴油機現由于指標。通過初步計算、分析，基本確定了渦輪增壓器的匹配參數和進排氣系統的幾何參數等；給出了整機熱量分配；分解各系統設計指標，為各系統的設計提供初始邊界條件。

如圖1是所研究的柴油機3D布置圖，柴油機的主要技術參數如表1所列。

圖1　3D布置圖

表1　柴油機主要技術參數

2　總體性能目標及限制條件

2.1總體性能目標

標定功率：980 kW；

標定點效燃油消耗率：229 g/kW·h；

全負荷最低燃油消耗率：208 g/kW·h.

2.2限制條件

最高燃燒壓力：≤18 MPa；

排氣溫度：≤720℃.

3　計算分析工作詳細說明

3.1計算模型

3.1.1發動機的摩擦損失

機械摩擦損失（FMEP）是平均指示壓力（IMEP）和平均有效壓力（BMEP）之差：FMEP＝IMEP－BMEP.

由于IMEP考慮了缸套散熱損失和泵氣損失，所以二者之差就全部為機械摩擦損失FMEP，包括：所有軸承的摩擦損失；活塞、活塞環和氣缸套之間的摩擦損失；配氣機構的摩擦損失；所有輔件要求的功耗，如水泵、機油泵和噴油泵等。

本次計算分析中采用的FMEP值是參考改機型直列系列柴油機的FMEP值估算，如圖2所示。

圖2　整機機械摩擦損失

3.1.2氣道的流量系數

因為本報告使用AVL Boost性能預測軟件，需要輸入氣道流量系數曲線。玉柴提供的原機氣道性能參數是按Ricardo方法評價的，如圖3所示。

圖3　氣道流量系數（上面為排氣道）

3.1.3氣門升程曲線

發動機氣門升程曲線和配氣相位參考成熟直列發動機凸輪軸型線，具體如圖4、表2所示。

表2　配氣相位

圖4　氣門升程曲線（左側是排氣門）

3.1.4燃燒模型

在內燃機的燃燒模擬過程中，燃燒放熱率計算是一個非常關鍵的指標。內燃機的燃燒模擬過程，大體經歷了燃燒放熱率計算、零維燃燒模型、準維燃燒模型和多維燃燒模型四個發展階段，所謂燃燒放熱率計算，是指由實測的缸內壓力數據（示功圖），根據能量守恒方程和經驗傳熱公式，推算燃油燃燒的放熱過程，用以分析內燃機的燃燒。這種方法比較直觀、簡便，對診斷燃燒有一定的作用，迄今在性能研究中仍受到重視[1-6]。

本次模擬計算的燃燒過程采用韋博模型。該柴油機采用直列泵和螺旋氣道，計算所用燃燒模型的標定參考直列系列柴油機試驗數據進行。

3.1.5計算模型

發動機的計算模型如圖5所示。左右兩側氣流由大氣環境SB1、SB2，分別經管路44、46，空濾器和管路進氣壓氣機進行壓縮，經管路流入左右兩側中冷器然后進入氣缸，左右兩邊排氣經過渦輪排出。

圖5　整機性能計算模型

3.2分析過程

根據項目開發要求：該V型柴油機為船電用柴油機，但兼顧車用特性（扭矩儲備系數1.245）。故本次計算選取船用特性的標定點與車用特性的最大扭矩點做計算分析。

3.2.1增壓匹配

增壓器的選擇只針對船用特性需求進行，根據該V型柴油機的標定功率、標定轉速和目標油耗率的需求，考慮當前燃燒技術水平（由于玉柴該V型柴油機的期望目標功率1 000 kW柴油機的燃燒水平來考慮），通過需求空氣流量、發動機排量來初定增壓器的需求壓比與流量。過量空氣系數選為2.0，充氣效率選為0.95，中冷后溫度定為70℃.

因此，標定點的增壓壓比定為3.2，空氣流量為1.8 kg/s（單個增壓器流量為0.9 kg/s）.

3.2.2排氣管系結構優化

本計算分析主要針對進排氣系統，對排氣管系的結構參數（主管直徑、歧管直徑）進行了優化。考慮該V型機型需兼顧車用特性的要求，排氣管系選為脈沖排氣系統。

（1）在其它條件不變的情況下，排氣主管直徑對總體性能的影響趨勢如下圖6所示。

圖6　排氣總管直徑對總體性能的影響

從上圖可以看出主管直徑58 mm~65 mm區間，功率升高趨勢變緩、油耗率減小趨勢變緩、排溫也在允許范圍內，因此，通過計算分析，確定排氣總管直徑的初選范圍為58 mm~65 mm，推薦值為60 mm.

（2）在其它條件不變的情況下，排氣歧管直徑對總體性能的影響趨勢如下圖7所示。

從上圖可以看出歧管直徑50 mm～55 mm區間，功率降低趨勢緩慢、油耗率升高趨勢緩慢、排溫也在允許范圍內，因此，通過計算分析，確定排氣歧管直徑的初選范圍為50 mm～55 mm，推薦值為55 mm.

（3）根據經驗，排氣主管與歧管的長度將根據整機的結構布置需要確定，在此不做優化。

（4）排氣歧管與主管之間圓滑過渡，推薦夾角30°.

3.2.3壓縮比優化

壓縮比的優化確定主要考慮最高燃燒壓力的限制與熱轉化效率，在結構強度允許的范圍內，最大限度地提高熱轉化效率。為此，需要結合增壓系統進行增壓壓比、壓縮比、最高燃燒壓力限制三者之間的協調匹配。

根據玉柴的經驗、玉柴對最高燃燒壓力的限制、相似機型的參數，壓縮比初定為15~16，推薦值為15.

3.3預測結果

通過計算模型建立和詳細分析過程，初步預測了發動機性能，如表3所示。

表3　預測結果

4　結論

該V型柴油機燃燒系統：供油壓力100 MPa、進氣渦流比2、壓縮比15、淺ω燃燒室。該V型柴油機排氣系統：脈沖排氣系統。該V型柴油機進氣系統：增壓壓比3.2、中冷后溫度70℃；配氣相位還可以進一步優化。在以上條件下該V型柴油機性能指標可以達到，具體如下。

（1）渦輪增壓器匹配，壓比在3.2（標定點），單增壓器流量在0.9（標定點）kg/s.

（2）進排氣系統幾何參數（如表4）。

表4　進排氣系統幾何參數

（3）壓縮比在15～16（推薦值為15）。

（4）整機熱量分配（如表5）。

表5　整機熱量分配表

5　結束語

本文詳細介紹了發動機工作過程計算在柴油機設計過程中的應用。采用AVL-BOOST建立發動機的整機工作過程計算模型，并完成求解和計算結果處理。從計算過程來看，采用一維熱力學計算對柴油機的性能參數進行計算研究可以方便的完成對柴油機的壓縮比、噴油提前角、進排氣管結構參數等影響發動機性能的參數進行計算分析。經試驗驗證，計算結果具有較高的可靠性和實用性。由此可見，工作過程模擬計算分析為內燃機的研究提供了一種全新的方法和工具，也為內燃機的設計提供了指導意義更強的計算依據。

參考文獻：

[1]劉永長.內燃機熱力過程模擬[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]劉錚，張楊軍.內燃機一維非定長流動[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]林杰倫.內燃機工作過程數值計算[M].西安：西安交通大學出版社，1986.

[4]周俊杰，邱東.柴油機工作過程數值計算[M].大連：大連理工大學出版社，1990.

[5]朱訪軍，吳堅.數值計算及其優化[M].北京：國防工業出版社，1997.

[6]田翀.YC6T柴油機工作過程數值模擬與優化[D].上海：上海交通大學，2009.

中圖分類號：TK421

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0051-04

收稿日期：2016-01-05

作者簡介：陳 剛（1980-），男，湖北荊州人，碩士，工程師，研究方向：內燃機整機設計開發。

Simulation Calculation and Analysis Research for YC V Engine Performance

CHEN Gang，CHENG Zhi-jun，YANG Liang，XIE De-jing
（Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd，Yulin Guangxi 537005，China）

Abstract:For a new development v diesel engine，to ensure performance for simulation calculation and analysis research at the beginning of design，by way of AVL Boost software，we established calculation model for intake system，and turbocharger and valve lift curve，obtained preliminary performance conclusion，it provides much more valuable data and performance optimization direction for follow-up test development

Key words：vengine；simulation；calculation model；performance forecast